Волнение сопровождается перемещением водных масс. Движение частиц воды при волнении происходит по незамкнутым орбитам и представляет собой сложный для теоретического описания случайный неупорядоченный процесс, зависящий от многих факторов.

Основные элементы морских ветровых волн следующие: высота h - расстояние по вертикали от впадины волны до гребня; длина X - горизонтальное расстояние между двумя последовательно расположенными гребнями или впадинами; период Т, - интервал времени между прохождением вершин двух последовательно идущих волн через фиксированную вертикаль.

Высота морских ветровых волн уменьшается по мере движения от поверхности к дну моря. Согласно классической тро- хоидальной теории волн их высота уменьшается с глубиной по экспоненциальному закону

h₂ = hе^-2яг/^ (3.1)

где z - глубина от поверхности моря; h_z и h - высота волн на глубине z и на поверхности моря соответственно.

В действительности затухание волн с глубиной происходит несколько быстрее, чем это следует из классической теории волн. Результаты натурных исследований [5] показывают, что уменьшение высоты поверхностных волн с глубиной для аква-

торий, глубина которых в 2 раза и более превосходит длину волны, правильнее оценивать по выражению

h_z = he^{-5,5(z/Х)0,8}. (3.2)

Однако для инженерных расчетов такие уточнения не существенны. На указанных акваториях приближенно рассчитать высоту волны h_z на глубине z можно, исходя из несложного правила: если глубина увеличивается в арифметической прогрессии, то высота волн уменьшается в геометрической прогрессии (табл. 3.1).

Ветровые волны подразделяют на вынужденные, возникающие и находящиеся под воздействием ветрового давления, и свободные, имеющие место после прекращения ветра или вышедшие за зону его действия. Свободные волны иначе называют волнами зыби. Результаты многочисленных наблюдений за волнением в натурных условиях показывают, что для глубоководных акваторий, где дно не влияет на форму и размеры ветровых волн, можно считать, что X « 20h для ветровых волн и X « 30h для волн зыби (табл. 3.2). Встречающиеся на пути волн преграды подвергаются гидродинамическим нагрузкам. Согласно современным представлениям гидродинамики основными компонентами общей силы давления волн на любую цилиндрическую преграду являются сила лобового сопротивления, инерционная сила и сила удара воды о преграду.

Сила лобового сопротивления пропорциональна квадрату линейной скорости орбитального движения. Ее максимальное значение достигается при прохождении у моноопоры вершины гребня волны. Сила лобового сопротивления обусловлена тем, что на поверхности преграды при обтекании ее вязкой жидкостью возникает, а при определенных условиях периодически отрывается, пограничный слой вихревой структуры. Энергия,

Таблица 3.1

Уменьшение высоты волн с глубиной моря (в относительных единицах)

Относительная глубина моря z/X	Высота волны hz (в долях от h)		Относительная глубина моря z/X	Высота волны hz (в долях от h)
0	1		5/9	1/32
1/9	1/2		6/9	1/64
2/9	1/4		7/9	1/128
3/9	1/8		8/9	1/256
4/9	1/16		9/9	1/512

 

Таблица 3.2

Шкалы степени ветрового волнения (числитель) и зыби (знаменатель)

Размеры волн

Наименьшая

Волнение	Балл волнения и зыби	высота, м	длина, м	период, с	глубина моря (м), при которой действительны приведенные соотношения
Слабое	1	0,25 0,25	5,0 10	< 2,0 < 2,0	2 5

Легкое	2	< 0, 25 - 0,75 5 - 15 2 - 3 3 < 0,5 15 3 7
Умеренное	3	< 0,75 - 1, 25 15 - 25 3 - 4 7 < 1,0 30 4 15

Значительное	4	1, 25 - 2, 0 2,0	25 - 40 60	4 - 5 6	12 30
Сильное	5	2, 0 - 3, 5 3,0	40 - 75 90	5 - 7 8	20 45
Крупное	6	3, 5 - 6, 0 5,0	75 - 125 150	7 - 9 10	35 75
Штормовое	7	6, 0 - 8, 5 7,0	125 - 170 210	9 - 11 110	60 110

Жесткое

8

8,5 - 11,0 170 - 220 11 - 12 80 > 7,0 > 210 > 12 > 110

Ураганное*

9

>11,0

>220

>12

>80

* Зыбь градуируется

только на 8

баллов.

 

затрачиваемая иа образование вихрей и на преодоление трения воды о преграду, создает силу лобового сопротивления.

Инерционная сила объясняется тем, что в условиях волнового режима преграда обтекается переменным по скорости потоком воды. Изменение во времени скорости движения воды создает силу, величина которой прямо пропорциональна ускорению потока. Максимальное значение этой силы достигается на участке волны, положение которого примерно соответствует невозмущенному уровню моря. Таким образом, по отношению к силе лобового сопротивления инерционная сила имеет смещение по фазе, равное я/2.

Сила удара обусловлена внезапной потерей скорости потока и сопровождается всплеском. Эта сила пропорциональна квад-

рату скорости потока. Ее максимальное значение достигается синфазно с максимумом силы лобового сопротивления.

Роль отдельных составляющих в общей силе для волн и преград различных параметров различна. Для сравнительно небольших волн, не сопровождаемых всплеском, наибольшую роль играет инерционная составляющая. Для больших крутых волн, особенно при всплеске, основную роль играют силы лобового сопротивления и удара.

Одним из важных критериев в определении сил волнового давления является параметр относительной глубины - отношение глубины акватории Н к длине волны X. Если Н/ X > 0,5, то акватория считается глубоководной и предполагается, что морское дно не оказывает существенного влияния на процесс обтекания преграды.

Из табл. 3.1 видно, что уже при 2/X = 5/9 высота волны составляет всего около 3 % от поверхностной. Очевидно, что на глубине, где высоты волн малы, невелико и волновое давление на преграды. Это обуславливает независимость значений равнодействующей волнового давления на преграду от глубины акватории, если Н/X > 0,5.

Устойчивый характер зависимости между элементами волн X и h (см. табл. 3.2) позволяет от параметра Н/X перейти к более удобному при расчетах на практике параметру H/h. Тогда можно сделать вывод, что при определении силы волнового давления влияние дна на характер обтекания волнами преграды можно не учитывать, если H/h > 10.

На мелководье и в прибойной зоне рост длины волн отстает от увеличения их высоты. Пологость волн здесь уменьшается и достигает значения X/h = 8+12. Поэтому влияние дна на процесс обтекания преграды на мелководье можно не учитывать при меньших значениях параметра H/h.